基于介质阻挡放电等离子体的动态失速翼型流动分离控制研究

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动态失速是一种广泛存在于直升机尾翼、涡轮机叶片以及风力机叶片中的复杂空气动力学现象。动态失速的出现会带来诸如气动力振荡、升力骤降以及气动迟滞等不利影响。在实际的工程问题中,为了改善动态失速过程中的气动性能,提升气动装置的气动效率,可以采用一些流动控制技术对动态失速进行控制。本文开展了基于新型介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)等离子体激励技术的NACA0015翼型动态失速控制的数值模拟研究。采用了二维非定常雷诺平均(Unsteady Reynolds-Averaged Naiver-Stokes,URANS)方法解析了交流(Alternating Current,AC)电压和纳秒(Nanosecond,NS)脉冲电压等离子体激励下动态失速控制过程中的流场演化。其中,AC DBD和NS DBD等离子体放电对流动的影响分别使用体积力模型和自相似等离子体模型进行模化。研究了两种雷诺数(Reynolds number,Re)条件下动态失速的控制过程,并将NS DBD等离子体的控制机理和控制效力与传统的AC DBD等离子体进行了详细的比较。结果表明,在中等雷诺数Re=2.5×10~5条件下,AC DBD产生的射流或NS DBD产生的残热通过激发剪切层的不稳定性从而会诱导生成大尺度的展向涡,该展向涡将外部高速气流引入分离区域,改变了翼型吸力面原有的流动结构,从而实现对动态失速的控制。对于中等雷诺数的流动,AC和NS DBD等离子体激励器在的控制效力相当,都能实现对动态失速的有效控制。等离子体周期性的激励有效减小了气动力的振荡,改善了气动力的迟滞效应,加速了流动的再附过程。然而,在Re=7.5×10~5的高雷诺数条件下,NS DBD与AC DBD在动态失速的控制中表现出了显著的差异。在NS DBD等离子体激励下,分离被明显的抑制,翼型升力获得大幅度提升,气动力的迟滞效应几乎完全消除;而AC DBD对流动几乎无法产生实质性的影响。通过对流场详细的分析发现,AC DBD放电产生的射流速度与外流相比非常小,无法对流动产生实质性的扰动,因此AC DBD在当前的控制中基本失效。而NS DBD等离子体放电产生的残热会沿着壁面向下游移动,到达分离点附近才会诱导生成一个展向涡。这一独特的热对流特性扩大了NS DBD等离子体激励器的影响范围,使得控制过程变得更加灵活高效。最后,探究了中等雷诺数条件下NS DBD等离子体激励频率对动态失速控制效力的影响。结果表明,激励频率较小时,翼型中间弦长处会直接形成大尺度的分离涡;激励频率较大时,密集放电产生的诱导涡会彼此融合形成更大的分离涡;而在激励频率适中时,诱导涡在翼型吸力面彼此独立,并且推动着翼型上方的分离涡向下运动。在当前的研究中,所有频率的等离子体激励都能提升动态失速阶段的升力、改善气动力的迟滞效应、加速流动再附过程。而频率为5.0和6.25的等离子体激励能展现出最佳的控制效果,流动再附阶段的升力和流动的再附角都能实现最大程度的提升。
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